RU2797721C1 - Measuring cell of a broadband ferromagnetic resonance spectrometer - Google Patents

Abstract

FIELD: measuring technology.

SUBSTANCE: invention is intended for non-destructive quality control of magnetic films and study of their high-frequency characteristics by recording the ferromagnetic resonance spectra of thin-film specimens in a wide band. The measuring cell of a broadband ferromagnetic resonance spectrometer comprises a short-circuited asymmetric strip line placed in an electromagnetic shield and a microwave connector located perpendicular to the strip line. The electromagnetic screen is a closed metal case of the cell, on the upper side of which there is a microwave connector, and in the lower part of the side there is a hole for installing the test specimen of a thin magnetic film into the gap between the segment of the asymmetric strip line and the screen, and the dimensions of the hole are larger than the overall dimensions of the test specimen.

EFFECT: increased upper operating frequency of the cell and simplified procedure for changing the test specimen.

1 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для неразрушающего контроля качества магнитных пленок и изучения их высокочастотных характеристик путем регистрации спектров ферромагнитного резонанса тонкопленочных образцов в широкой полосе частот.The invention relates to measuring technology and is intended for non-destructive quality control of magnetic films and the study of their high-frequency characteristics by recording the ferromagnetic resonance spectra of thin-film samples in a wide frequency band.

Наиболее близким аналогом по совокупности существенных признаков является измерительная ячейка широкополосного спектрометра ферромагнитного резонанса [Патент РФ RU 2747912 C1, МПК G01R33/05, опубл. 17.05.2021, Бюл. №14. (прототип)]. Короткозамкнутая несимметричная полосковая линия ячейки размещается в электромагнитном экране, причем СВЧ-разъем расположен перпендикулярно ее плоскости таким образом, что магнитная система может свободно вращаться вокруг нормали к плоскости полосковой линии. Подложка с образцом тонкой магнитной пленки размещается внутри электромагнитного экрана, под полосковой линией, пленка при этом обращена к экрану.The closest analogue in terms of essential features is the measuring cell of a broadband ferromagnetic resonance spectrometer [RF Patent RU 2747912 C1, IPC G01R33/05, publ. 05/17/2021, Bull. No. 14. (prototype)]. A short-circuited asymmetrical strip line of the cell is placed in an electromagnetic shield, and the microwave connector is located perpendicular to its plane in such a way that the magnetic system can freely rotate around the normal to the plane of the strip line. A substrate with a sample of a thin magnetic film is placed inside the electromagnetic screen, under the strip line, while the film is facing the screen.

Недостатком конструкции-прототипа является низкая верхняя рабочая частота и сложная процедура смены исследуемого образца: для замены образца каждый раз требуется разъединять СВЧ-разъем, снимать крышку ячейки и т.д.The disadvantage of the prototype design is the low upper operating frequency and the complicated procedure for changing the sample under study: to replace the sample, each time you need to disconnect the microwave connector, remove the cell cover, etc.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение верхней рабочей частоты ячейки и упрощение процедуры смены исследуемого образца.The technical result of the claimed invention is to increase the upper operating frequency of the cell and simplify the procedure for changing the test sample.

Заявляемый технический результат достигается за счет того, что в измерительной ячейке широкополосного спектрометра ферромагнитного резонанса, содержащей короткозамкнутую несимметричную полосковую линию, размещенную в электромагнитном экране, и СВЧ-разъем, расположенный перпендикулярно полосковой линии, новым является то, что электромагнитным экраном является замкнутый металлический корпус ячейки, с верхней стороны которого расположен СВЧ-разъем, а в нижней части боковой стороны имеется отверстие для установки исследуемого образца тонкой магнитной пленки в зазор между отрезком несимметричной полосковой линии и экраном, причем размеры отверстия больше габаритных размеров исследуемого образца.The claimed technical result is achieved due to the fact that in the measuring cell of a broadband ferromagnetic resonance spectrometer, containing a short-circuited asymmetric strip line placed in an electromagnetic screen, and a microwave connector located perpendicular to the strip line, it is new that the electromagnetic screen is a closed metal case of the cell , on the upper side of which there is a microwave connector, and in the lower part of the side there is a hole for installing the test sample of a thin magnetic film into the gap between the segment of the asymmetric strip line and the screen, and the dimensions of the hole are larger than the overall dimensions of the test sample.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием замкнутого металлического корпуса с отверстием для установки исследуемого образца. В отличие от устройства-прототипа, в котором корпус состоит из нескольких частей, скрепляемых вместе винтами, заявляемое устройство имеет монолитный корпус, что позволяет повысить верхнюю рабочую частоту измерительной ячейки.Comparative analysis with the prototype shows that the proposed device is characterized by the presence of a closed metal case with a hole for installing the test sample. Unlike the prototype device, in which the case consists of several parts fastened together with screws, the inventive device has a monolithic case, which makes it possible to increase the upper operating frequency of the measuring cell.

Вторым существенным отличием является то, что сбоку ячейки имеется отверстие, выполненное в соответствии с размерами исследуемых образцов. Через это отверстие удается поместить образец между экраном и полосковой линией, не разбирая ячейку - это значительно упрощает и ускоряет процедуру смены образца.The second significant difference is that there is a hole on the side of the cell, made in accordance with the dimensions of the samples under study. Through this hole, it is possible to place the sample between the screen and the strip line without disassembling the cell - this greatly simplifies and speeds up the procedure for changing the sample.

Таким образом, перечисленные выше отличительные от прототипа признаки позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна».Thus, the above distinguishing features from the prototype allow us to conclude that the proposed technical solution meets the criterion of "novelty".

Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях и, следовательно, обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».The features that distinguish the claimed technical solution from the prototype are not identified in other technical solutions and, therefore, ensure that the claimed technical solution meets the criterion of "inventive step".

Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 показана заявляемая измерительная ячейка широкополосного спектрометра ферромагнитного резонанса, закрепленная на держателе с подключенным СВЧ-кабелем, а на фиг. 2 эта же измерительная ячейка показана отдельно. На фиг. 3 показан вид снизу измерительной ячейки с разнесенными частями. На фиг. 4 и 5 для сравнения отображены результаты измерений образца тонкой магнитной пленки с использованием двух разных ячеек: на фиг. 4 - измерения с использованием ячейки-прототипа; на фиг. 5 - измерения с использованием заявляемой измерительной ячейки.The invention is illustrated by drawings. In FIG. 1 shows the inventive measuring cell of a broadband ferromagnetic resonance spectrometer, mounted on a holder with a connected microwave cable, and in Fig. 2 the same measuring cell is shown separately. In FIG. 3 shows an exploded bottom view of the measuring cell. In FIG. 4 and 5 show for comparison the measurement results of a thin magnetic film sample using two different cells: FIG. 4 - measurements using the prototype cell; in fig. 5 - measurements using the claimed measuring cell.

Измерительная ячейка (1) является частью широкополосного спектрометра ферромагнитного резонанса (фиг. 1) и закрепляется на его держателе (2). Сверху к ячейке (1) подключен СВЧ-кабель (3), соединяющий ее с портом векторного анализатора цепей. Измерительная ячейка (1) состоит из (фиг. 2) металлического корпуса (4), являющегося экраном, с верхней стороны которого расположен СВЧ-разъем (5). В нижней части корпуса (4) имеется отверстие (6), предназначенное для помещения образца внутрь измерительной ячейки. К СВЧ-разъему (5) подключена (на фиг. 3 показан вид снизу с разнесенными частями) несимметричная полосковая линия (7), запаянная на корпус (4) в точке контакта с его стенкой (8) металлического корпуса (4). С нижней стороны ячейки запаян экран (9). Подложка (10) с образцом тонкой магнитной пленки размещается внутри корпуса (4) таким образом, чтобы поверхность пленки была обращена к экрану (9).The measuring cell (1) is part of a broadband ferromagnetic resonance spectrometer (Fig. 1) and is fixed on its holder (2). From above, a microwave cable (3) is connected to the cell (1), connecting it to the port of the vector network analyzer. The measuring cell (1) consists of (Fig. 2) a metal case (4), which is a screen, on the upper side of which there is a microwave connector (5). In the lower part of the body (4) there is an opening (6) designed to place the sample inside the measuring cell. An asymmetric strip line (7) is connected to the microwave connector (5) (Fig. 3 shows a bottom view with separated parts), soldered to the housing (4) at the point of contact with its wall (8) of the metal housing (4). A screen (9) is sealed on the bottom side of the cell. The substrate (10) with a thin magnetic film sample is placed inside the housing (4) so that the film surface faces the screen (9).

Измерительная ячейка широкополосного спектрометра ферромагнитного резонанса работает следующим образом (фиг. 3). Через отверстие (6) в корпусе (4) измерительной ячейки подложка (10) с образцом размещается внутри корпуса (4). При этом с верхней стороны подложки (10) проходит несимметричная короткозамкнутая полосковая линия (7), а с нижней стороны расположен экран (9). Ферромагнитный образец при этом должен быть расположен на стороне подложки (10), обращенной к экрану (9). Измерительную ячейку (1) подключают (фиг. 1) к СВЧ-кабелю (3) и закрепляют на держателе (2). Запускают процесс измерений широкополосного спектрометра ферромагнитного резонанса. После окончания измерений подложку с исследуемым образцом тонкой магнитной пленки вынимают из измерительной ячейки (1). Смена образца может происходить без отсоединения СВЧ-кабеля (3) от разъема измерительной ячейки (1) и без отсоединения держателя (2).The measuring cell of a broadband ferromagnetic resonance spectrometer operates as follows (Fig. 3). Through the hole (6) in the body (4) of the measuring cell, the substrate (10) with the sample is placed inside the body (4). In this case, an asymmetric short-circuited strip line (7) passes from the upper side of the substrate (10), and a screen (9) is located from the lower side. In this case, the ferromagnetic sample should be located on the side of the substrate (10) facing the screen (9). The measuring cell (1) is connected (Fig. 1) to the microwave cable (3) and fixed on the holder (2). The measurement process of the broadband ferromagnetic resonance spectrometer is started. After the end of the measurements, the substrate with the test sample of the thin magnetic film is removed from the measuring cell (1). The sample can be changed without disconnecting the microwave cable (3) from the measuring cell connector (1) and without disconnecting the holder (2).

Испытания заявленной измерительной ячейки широкополосного спектрометра ферромагнитного резонанса показали, что заявленный технический результат достигнут - устройство обеспечивает более высокую верхнюю рабочую частоту в сравнении с устройством-прототипом. Кроме того, смена образца возможна без отсоединения от измерительной ячейки держателя и СВЧ-кабеля, что значительно упрощает и ускоряет данную процедуру. Для примера, на фиг. 4 и 5 показаны результаты измерений одного образца текстурированной пленки пермаллоя двумя устройствами: показанные на фиг. 4 измерения проведены с использованием устройства-прототипа до частоты 12 ГГц; на фиг. 5 отображены результаты измерений на частотах до 15 ГГц с использованием заявляемого устройства. При использовании устройства-прототипа на графике (фиг. 4) на частоте ~8 ГГц наблюдается резонансное усиление сигнала (11), которое, хотя и приводит к увеличению чувствительности ячейки, является нежелательным, так как способствует уширению линии ферромагнитного резонанса. Для заявляемой измерительной ячейки (фиг. 5) частота, на которой наблюдается резонансное усиление сигнала (12), сдвинута вверх - до ~12 ГГц.Tests of the claimed measuring cell of a broadband ferromagnetic resonance spectrometer showed that the claimed technical result is achieved - the device provides a higher upper operating frequency in comparison with the prototype device. In addition, sample change is possible without disconnecting the holder and microwave cable from the measuring cell, which greatly simplifies and speeds up this procedure. For example, in FIG. 4 and 5 show the measurement results of one sample of textured permalloy film with two devices: those shown in FIG. 4 measurements were made using a prototype device up to a frequency of 12 GHz; in fig. 5 shows the results of measurements at frequencies up to 15 GHz using the claimed device. When using the prototype device on the graph (Fig. 4) at a frequency of ~8 GHz, a resonant amplification of the signal (11) is observed, which, although it leads to an increase in the sensitivity of the cell, is undesirable, since it contributes to the broadening of the ferromagnetic resonance line. For the inventive measuring cell (Fig. 5) the frequency at which the resonant amplification of the signal (12) is observed is shifted up - up to ~12 GHz.

Claims (1)

Измерительная ячейка широкополосного спектрометра ферромагнитного резонанса, содержащая короткозамкнутую несимметричную полосковую линию, размещенную в электромагнитном экране, и СВЧ-разъем, расположенный перпендикулярно полосковой линии, отличающаяся тем, что электромагнитным экраном является замкнутый металлический корпус ячейки, с верхней стороны которого расположен СВЧ-разъем, а в нижней части боковой стороны имеется отверстие для установки исследуемого образца тонкой магнитной пленки в зазор между отрезком несимметричной полосковой линии и экраном, причем размеры отверстия больше габаритных размеров исследуемого образца.Measuring cell of a broadband ferromagnetic resonance spectrometer, containing a short-circuited asymmetric strip line placed in an electromagnetic screen, and a microwave connector located perpendicular to the strip line, characterized in that the electromagnetic screen is a closed metal case of the cell, on the upper side of which a microwave connector is located, and in the lower part of the side there is a hole for installing the test sample of a thin magnetic film in the gap between the segment of the asymmetric strip line and the screen, and the dimensions of the hole are larger than the overall dimensions of the test sample.

Images